專利名稱：數(shù)字式準(zhǔn)靜態(tài)被動(dòng)人體探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種用于提高被動(dòng)紅外人體探測器在檢測準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)下人體探測
精度的數(shù)字式檢測技術(shù)。屬于日用電器控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
被動(dòng)人體傳感器(PIR)輸出的信號(hào)變化緩慢、幅值小。針對該特點(diǎn)，目前處理電路 的種類較多，但功能都基本類似，框圖如圖1所示，具體處理步驟如下
1、濾波放大 PIR傳感器輸出信號(hào)幅值一般都很小，大約幾百微伏到幾毫伏，為了后續(xù)電路能作
有效的處理，考慮到傳感器的信噪比，通常要先進(jìn)行增益約75dB，通帶為0. 3Hz 7Hz左右
的放大和濾波。 2、窗口比較器 放大后的信號(hào)通過固定門限電平的窗口比較器，檢出滿足幅值要求的信號(hào)，轉(zhuǎn)換
成一系列的探測脈沖信號(hào)。 3、噪聲抑制和數(shù)字信號(hào)處理 根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和傳感器的特性， 一般采用固定時(shí)間內(nèi)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)和測脈沖寬 度的方法來甄別有效的人體探測信號(hào)。判別方法為脈沖寬度低于24ms的都算作噪聲，不 予處理；單個(gè)有效脈沖寬度必須大于340ms ;雙脈沖，其中寬的必須大于160ms，窄的大于 24ms ;三個(gè)脈沖有效，每個(gè)都必須大于24ms。再將此有效的人體探測信號(hào)經(jīng)過所需時(shí)間的 延時(shí)后輸出，就可形成穩(wěn)定的人體探測識(shí)別信號(hào)。 經(jīng)過上述三步處理后就能準(zhǔn)確、可靠地判斷運(yùn)動(dòng)的人體信號(hào)。再根據(jù)具體應(yīng)用場 合實(shí)現(xiàn)不同控制，例如報(bào)警器自動(dòng)告警，自動(dòng)開啟某個(gè)設(shè)備等。 但是如果將上述的運(yùn)動(dòng)型人體探測器用于室內(nèi)工作或?qū)W習(xí)等準(zhǔn)靜態(tài)的人體檢測， 由于此時(shí)人體動(dòng)作的幅度很小，無法在菲涅爾透鏡的視區(qū)和盲區(qū)之間進(jìn)行有效的運(yùn)動(dòng)，靈 敏度將會(huì)降低很多，輸出的探測信號(hào)幅度很小，甚至沒有。信號(hào)電平一直處于窗口比較器的 門限之下，就不會(huì)有探測脈沖出現(xiàn)，即使偶爾出現(xiàn)稍高于門限的信號(hào)，比較器輸出的脈沖寬 度和個(gè)數(shù)也難以滿足噪聲抑制電路的甄別要求而當(dāng)成噪聲被去除了。在設(shè)定的延時(shí)時(shí)段內(nèi) 如果沒有第二個(gè)有效的人體探測信號(hào)出現(xiàn)，延時(shí)結(jié)束時(shí)就會(huì)關(guān)閉控制信號(hào)輸出。之后人體 如有大一點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)，又會(huì)有一個(gè)延時(shí)時(shí)段的控制信號(hào)輸出。這樣就會(huì)造成被控設(shè)備的頻 繁啟停，嚴(yán)重時(shí)將無法正常工作。如用于燈具控制，頻繁的啟停不但影響人員的學(xué)習(xí)效果， 而且還會(huì)嚴(yán)重地縮短燈具的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對已有技術(shù)的不足，提供一種提高準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)下人體探測精度的數(shù)字式
檢測技術(shù)，用于室內(nèi)需要準(zhǔn)靜態(tài)人體檢測的場合。 為了適應(yīng)準(zhǔn)靜態(tài)人體檢測的需求，必須對整個(gè)PIR探測系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。在菲涅爾透鏡方面，要求增加其視區(qū)的數(shù)量即鏡頭的分區(qū)和分段密度，保證人體在整個(gè)探測區(qū)域內(nèi) 稍微移動(dòng)，就有一定的信號(hào)輸出；在檢測電路方面，必須改進(jìn)檢測算法，將人體移動(dòng)的小信 號(hào)從系統(tǒng)噪聲和環(huán)境溫度起伏噪聲等背景噪聲中區(qū)分開來。其中檢測電路的改進(jìn)最為重 要，是能否正確檢測出人體存在和抗各種干擾的關(guān)鍵。 由于每一個(gè)熱電元件的大小約為2Xlmm，經(jīng)過透鏡能夠投射到元件矩形范圍內(nèi)的 現(xiàn)場景物就局限在一個(gè)漏斗型的空間里，換言之，熱電元件只能"看"到這個(gè)漏斗形空間內(nèi) 的熱能景物，我們稱這個(gè)漏斗形熱敏感空間為熱電元件的視區(qū)。單一鏡頭所能形成的視區(qū) 只有兩個(gè)，為了提高探測精度，需要增加不重疊的視區(qū)數(shù)目。在被動(dòng)紅外探測器中擴(kuò)充視區(qū) 數(shù)量的普遍做法是設(shè)置多個(gè)鏡頭，鏡頭法線匯聚熱電元件中心，法線向外輻射，形成一系列 視區(qū)分布。如使用了三片鏡頭弧形排列，可形成六個(gè)視區(qū)，扇形分布，探測區(qū)域得以擴(kuò)充。這 三個(gè)鏡頭在熱電元件表面形成了六幅不同的影像，六幅影像重疊在一起，在人體沒有移動(dòng) 的情況下，熱電元件表面的六幅影像均為現(xiàn)場背景的熱輻射成像，這樣的靜態(tài)背景所產(chǎn)生 熱輻射為持續(xù)不變的能量場，熱電器件對持續(xù)不變的熱輻射不會(huì)有信號(hào)輸出；當(dāng)人體移動(dòng) 時(shí)，持續(xù)的背景能量輻射受到擾動(dòng)，熱電器件接收到的熱能發(fā)生變化，產(chǎn)生信號(hào)輸出，這是 準(zhǔn)靜態(tài)人體檢測的物理基礎(chǔ)。但是，人體移動(dòng)所產(chǎn)生的信號(hào)比人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)要小的 多，淹沒在系統(tǒng)噪聲和環(huán)境溫度起伏噪聲等背景噪聲之中。 溫度起伏噪聲，是指由于探測器和周圍環(huán)境通過各種形式進(jìn)行熱交換，使熱探測 器溫度無規(guī)則起伏的噪聲，這是一種始終存在著的不可避免的噪聲源。 系統(tǒng)噪聲和環(huán)境溫度起伏噪聲近似為白噪聲，而刮風(fēng)等形成的干擾卻是突發(fā)的。 熱釋電紅外傳感器檢測到的人體移動(dòng)信號(hào)極其微弱，這些噪聲和干擾的存在，影響整個(gè)探 測系統(tǒng)靈敏度的提高。運(yùn)動(dòng)型PIR檢測屬于模擬檢測，窗口比較器的固定門限，將門限以下 的電平，無論是信號(hào)還是噪聲統(tǒng)統(tǒng)去除，提高了抗干擾能力，但也限制了探測精度的提高。 它只能用提高系統(tǒng)的增益的方法來提高檢測精度，但是噪聲和干擾信號(hào)也同時(shí)被放大，即 使在沒有人體檢測信號(hào)時(shí)，也可能超過比較器門限形成檢測脈沖，噪聲抑制電路的抑制作 用十分有限，將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的誤檢測。無法用于準(zhǔn)靜態(tài)的人體檢測。 數(shù)字式準(zhǔn)靜態(tài)人體探測器采用了數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)來進(jìn)行人體信號(hào)的識(shí) 別，先將模擬的探測信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)系列，各種噪聲、干擾和人體探測信號(hào)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的 不同，人體探測信號(hào)的不同時(shí)刻取值一般都具有較強(qiáng)的相關(guān)性；而對于系統(tǒng)噪聲和溫度起 伏噪聲，因?yàn)槠潆S機(jī)性較強(qiáng)，不同時(shí)刻取值的相關(guān)性一般較差，利用這一差異將數(shù)字信號(hào)序 列進(jìn)行離散的數(shù)字式相關(guān)等算法的計(jì)算，可以把人體探測信號(hào)和噪聲干擾信號(hào)區(qū)分開來。 從而得到準(zhǔn)確的人體探測控制信號(hào)。 與運(yùn)動(dòng)型人體探測器相比，數(shù)字式準(zhǔn)靜態(tài)人體探測器優(yōu)點(diǎn)有 1、探測精度高，在運(yùn)動(dòng)型探測器中，人體識(shí)別是通過放大后的檢測信號(hào)與上下對 稱的兩個(gè)固定門限電平比較來實(shí)現(xiàn)的。由于受各種噪聲的限制，放大器的增益不可能做的 很大，因此，這種方法只能檢測人體運(yùn)動(dòng)的大的信號(hào)，而難于檢測人體移動(dòng)的小信號(hào)。數(shù)字 式探測器的識(shí)別是將放大后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，基于信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，找出探測 信號(hào)與參考信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)來進(jìn)行的檢測的，沒有門限效應(yīng)的限制，因此，可以達(dá)到很 高的精度。 2、抗干擾性強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)型探測器中的抗干擾主要是通過檢測脈沖的脈寬和個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，不可能對脈沖的實(shí)質(zhì)進(jìn)行識(shí)別，這些探測脈沖很有可能是由背景起伏噪聲或刮風(fēng)等 噪聲所形成的，會(huì)造成較大的誤識(shí)別，抗干擾的性能較差。在數(shù)字式探測器中，通過信號(hào)與 參考信號(hào)的相似程度來判斷是有效信號(hào)還是噪聲，由于各種噪聲的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和波形等與參 考信號(hào)有一定的差異，可以將其區(qū)分開來。因此，抗各種干擾的能力很強(qiáng)。
3、性能穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)型的人體探測器基本上是模擬處理，雖然噪聲抑制電路采用了 一定的數(shù)字處理，但在形成探測脈沖前的處理都是模擬的，且系統(tǒng)各種時(shí)鐘也是用普通的 RC電路產(chǎn)生的。這些電路受溫度等因素影響較大，造成整機(jī)穩(wěn)定性能較差。數(shù)字探測器除 了放大濾波外，其余部分都是采用由單片機(jī)組成的數(shù)字處理器來完成的，受環(huán)境溫度等因 素的影響很小，穩(wěn)定性得到了極大的提高。 4、溫度特性好，運(yùn)動(dòng)型探測器的溫度性能較差，當(dāng)環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，由 于溫差減小，探測靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈，雖然可以通過增益的溫度補(bǔ)償來提 高，但增益受噪聲的影響不能提高很大，因此作用有限，無法從根本上得到解決。數(shù)字探測 器不是完全依靠檢測信號(hào)的幅度大小來識(shí)別的，增益的溫度補(bǔ)償范圍可以做的很寬，因此 受溫度的影響大為減小，溫度特性可以做得很好。 5、延時(shí)精度高，運(yùn)動(dòng)型探測器的延時(shí)是由RC電路產(chǎn)生的，受器件和環(huán)境溫度等因 素的影響很大，精度較低，且批量中的一致性很差。數(shù)字探測器的延時(shí)是單片機(jī)定時(shí)產(chǎn)生 的，其時(shí)鐘由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度很高， 一致性好。 6、調(diào)試簡單、生產(chǎn)效率高，運(yùn)動(dòng)型探測器的調(diào)試檢查點(diǎn)較多，生產(chǎn)效率不高。數(shù)字 探測器除了模擬處理部分之外，其它的處理都是由單片機(jī)的程序控制來進(jìn)行的，無須進(jìn)行 調(diào)整，檢查項(xiàng)目很少，極大地提高了生產(chǎn)效率。


圖1為運(yùn)動(dòng)型PIR探測器電路框圖，圖2為數(shù)字式準(zhǔn)靜態(tài)PIR探測器電路框圖，圖 3為模擬處理部分電路圖，圖4為數(shù)字信號(hào)處理程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述 數(shù)字式準(zhǔn)靜態(tài)人體探測器主要由模擬處理和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)兩部分組成，框 圖如圖2所示。 模擬處理部分的作用是將微弱的PIR信號(hào)放大到合適的電平，同時(shí)濾出帶外噪 聲。模擬處理部分和運(yùn)動(dòng)型的PIR檢測電路不同的是，為了消除數(shù)字處理部分A/D轉(zhuǎn)換時(shí)可 能出現(xiàn)的頻譜混迭現(xiàn)象，需要將高頻成分衰減量增大，為此，增加了低通濾波器的級(jí)數(shù)。同 時(shí)為了達(dá)到所需的75dB左右的增益，采用兩級(jí)低噪聲運(yùn)算放大器組成，電路如圖3所示； Ul組成同相放大器，增益&=1+dt ，U2組成二階低通濾波器，增益
W2〃
& = ^ ，總增益K = & XK2。 Rl、 Cl組成一級(jí)低通濾波器，U2組成的低通濾波器的截止頻 ^ 1
勒乂2 = 2;;^^^。。，低通濾波器總的截止頻率約7Hz° R2〃RT * C2禾口 R3 * C3誠胃 級(jí)高通濾波器，截止頻率約為0. 3Hz。
為了補(bǔ)償PIR傳感器的靈敏度隨溫度的上升而下降，需要使放大器的增益隨溫度 而上升。采用了熱敏電阻補(bǔ)償法，將R2與負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)RT并聯(lián)，使模擬處理 電路的信號(hào)輸出在整個(gè)溫度范圍內(nèi)基本一致。 模擬處理后的信號(hào)送到數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，由于PIR信號(hào)的頻率較低，對信號(hào) 處理的實(shí)時(shí)性要求不高，為了降低功耗和成本，采用低功耗的單片機(jī)作為處理器。首先將探 測信號(hào)進(jìn)行數(shù)/模(A/D)轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號(hào)，之后的整個(gè)信號(hào)處理都是在數(shù)字域進(jìn)行的。 由于人體信號(hào)與各種噪聲干擾都是隨機(jī)的，必須采用隨機(jī)信號(hào)的處理方法。在各種噪聲和 干擾中，系統(tǒng)噪聲和溫度起伏噪聲可以近似看成白噪聲，其統(tǒng)計(jì)規(guī)律和人體信號(hào)的統(tǒng)計(jì)規(guī) 律相差很大，采用相關(guān)運(yùn)算可以比較容易地區(qū)分開來；而刮風(fēng)等引起的噪聲(簡稱刮風(fēng)噪 聲)的規(guī)律和人體信號(hào)的規(guī)律十分相似，只是頻譜結(jié)構(gòu)等參數(shù)有所不同，較難區(qū)分。由于在 日常生活中，刮風(fēng)所引起的能量變化較大，出現(xiàn)的概率又很高，如果不能正確地將兩者區(qū)分 開來，將出現(xiàn)很大的誤檢測概率，甚至達(dá)到無法使用的地步。我們分析了人體探測信號(hào)和刮 風(fēng)噪聲信號(hào)的差異，開發(fā)出了最符合人體探測的參考信號(hào)序列，通過數(shù)字式互相關(guān)運(yùn)算等 算法，成功地解決了這個(gè)問題。這是進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)人體探測的所需解決的關(guān)鍵技術(shù)。
人體探測信號(hào)分為運(yùn)動(dòng)型大信號(hào)和準(zhǔn)靜態(tài)移動(dòng)小信號(hào)兩種，由于對這兩種信號(hào)的 響應(yīng)時(shí)間要求不同，要采用了不同的處理方法。對于運(yùn)動(dòng)信號(hào)應(yīng)該立即輸出探測控制信號(hào)， 不能有太大的時(shí)延。如用人體探測信號(hào)來控制燈具，當(dāng)有人體進(jìn)入探測區(qū)域時(shí)就應(yīng)該立即 開啟燈具。而準(zhǔn)靜態(tài)則是人體運(yùn)動(dòng)結(jié)束，進(jìn)行工作和學(xué)習(xí)的狀態(tài)。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)結(jié)束后，輸出 的探測控制信號(hào)需要經(jīng)過設(shè)定的延時(shí)時(shí)間才會(huì)結(jié)束，準(zhǔn)靜態(tài)檢測只需判斷在延時(shí)時(shí)段內(nèi)是 否有人存在即可，因此對時(shí)間響應(yīng)的要求不高。 DSP信號(hào)處理流程圖如圖4所示，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字探測序列，首先通過數(shù)字窗口 比較器，進(jìn)行幅度和脈寬的識(shí)別，如果幅度超過門限，脈沖寬度超過125mS，就認(rèn)為是運(yùn)動(dòng)人 體信號(hào)，輸出有效人體識(shí)別信號(hào)，立即進(jìn)入設(shè)定的延時(shí)程序，輸出人體探測控制信號(hào)；而幅 度不超過門限時(shí)，則認(rèn)為存在移動(dòng)信號(hào)，進(jìn)入準(zhǔn)靜態(tài)識(shí)別狀態(tài)。將探測序列與一組參考信號(hào) 序列進(jìn)行數(shù)字式互相關(guān)運(yùn)算，得到各級(jí)相關(guān)系數(shù)，同時(shí)，將探測序列進(jìn)行均方值運(yùn)算，得到 信號(hào)的幅度信息，乘以系數(shù)，就得到一組動(dòng)態(tài)的與信號(hào)幅度相關(guān)的自適應(yīng)閥值。再將各相關(guān) 系數(shù)與自適應(yīng)閥值進(jìn)行比較，低于閥值時(shí)，判斷為無人存在，不輸出有效人體識(shí)別信號(hào)，執(zhí) 行原來的延時(shí)時(shí)間不變；高于閥值時(shí)，則判斷為有人存在，從高于閥值的時(shí)刻起輸出有效人 體識(shí)別信號(hào)，往后繼續(xù)執(zhí)行一個(gè)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間。重復(fù)上述運(yùn)算處理，如果在延時(shí)時(shí)間內(nèi)， 沒有第二個(gè)有效的人體識(shí)別信號(hào)出現(xiàn)，則在延時(shí)時(shí)間結(jié)束的時(shí)刻，關(guān)閉人體探測信號(hào)；如在 延時(shí)時(shí)間內(nèi)不斷檢測到有效的人體識(shí)別信號(hào)，一直不斷延續(xù)延時(shí)時(shí)間，就可得到穩(wěn)定的人 體探測控制信號(hào)。 將人體探測控制信號(hào)再與其它信號(hào)(如照度信號(hào)或溫度信號(hào))邏輯運(yùn)算，便可進(jìn) 行相應(yīng)的控制。
權(quán)利要求
一種用于提高被動(dòng)紅外人體探測器在檢測準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)下人體探測精度的數(shù)字式檢測技術(shù)，包括模擬處理和數(shù)字信號(hào)處理兩部分。其特征是模擬處理電路將被動(dòng)紅外傳感器輸出的探測信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，數(shù)字信號(hào)處理部分將模擬的探測信號(hào)經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后，根據(jù)各種噪聲、干擾和人體探測信號(hào)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的不同，進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，輸出人體探測控制信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字準(zhǔn)靜態(tài)人體探測器，其特征是由低噪聲運(yùn)算放大器組成 的放大器、二階高通和三階低通濾波器，其中第一級(jí)的增益可由熱敏電阻控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字準(zhǔn)靜態(tài)人體探測器，其特征是由低功耗單片機(jī)組成的數(shù) 字信號(hào)處理電路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字準(zhǔn)靜態(tài)人體探測器，其特征是采用數(shù)字門限窗口 ，區(qū)分 運(yùn)動(dòng)型人體信號(hào)或準(zhǔn)靜態(tài)人體信號(hào)，分別進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字準(zhǔn)靜態(tài)人體探測器，其特征是采用數(shù)字式互相關(guān)運(yùn)算等 算法來區(qū)分各種噪聲、干擾和人體探測信號(hào)，互相關(guān)的參考信號(hào)系列與人體探測信號(hào)特征 相似。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字準(zhǔn)靜態(tài)人體探測器，其特征是采用自適應(yīng)閥值對相關(guān)系 數(shù)進(jìn)行比較，得到真實(shí)的人體探測信號(hào)，消除各種干擾。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于提高被動(dòng)紅外人體探測器在檢測準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)下人體探測精度的數(shù)字式檢測技術(shù)。屬于日用電器控制技術(shù)領(lǐng)域。其特征是將模擬放大濾波處理后的探測信號(hào)，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，再進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理(DSP)。探測信號(hào)中的各種噪聲、干擾和人體探測信號(hào)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的不同，人體探測信號(hào)的不同時(shí)刻取值一般都具有較強(qiáng)的相關(guān)性；而系統(tǒng)噪聲和溫度起伏噪聲，因?yàn)槠潆S機(jī)性較強(qiáng)，不同時(shí)刻取值的相關(guān)性一般較差，利用這一差異，采用離散數(shù)字式相關(guān)運(yùn)算等算法進(jìn)行檢測，可以把人體探測信號(hào)和噪聲干擾信號(hào)區(qū)分開來。克服了運(yùn)動(dòng)型被動(dòng)紅外探測器的探測精度不高、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，特別適用于人體的準(zhǔn)靜態(tài)檢測，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01J5/16GK101702035SQ20091001423
公開日2010年5月5日 申請日期2009年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月19日
發(fā)明者蘇桂香, 黃程云 申請人:黃程云